8. Лекция. Средства измерений силы токов и напряжений

 

Содержание лекции:

- средства измерений постоянных и переменных токов и напряжений; измерение действующих, амплитудных, средневыпрямленных, средних и мгновенных значений переменных токов и напряжений.

 

Цель лекции:

- изучить классификацию средств измерений постоянных и переменных токов и напряжений, источники погрешностей измерения  силы токов и напряжений в различных поддиапазонах.

 

8.1 Средства измерений постоянных токов и напряжений

         Наивысшая точность измерений постоянных токов и напряжений определяется точностью государственных первичных эталонов единицы силы постоянного электрического тока (ГОСТ 8.022—75) и единицы электродвижущей силы (ГОСТ 8.027—81). Государственные пер­вичные эталоны обеспечивают воспроизведение соответствующей единицы со среднеквадратическим отклонением результата измерений (So), не превышающим 4 10 для силы постоянного тока и 5 10 для ЭДС, при неисключенной систематической погрешности ( ), не превышающей, соответственно, 8 10 и 1 10 . Из рабочих средств измерений постоянных токов и на­пряжений наименьшую погрешность измерений дают компенса­торы постоянного тока. Например, компенсатор (потенциометр) типа Р332 имеет класс точности 0,0005 и позволяет измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсато­ров косвенно с использованием катушек электрического сопро­тивления. При использовании катушек электрического сопротив­ления типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более ±0,0025 %. Компенсаторы используют при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений и для поверки менее точных средств измерений.

         Наиболее распространенными средствами измерений посто­янных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), а также универсальные и комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.). Широко используемые средства измерений постоянных токов и напряжений представлены в приложении  Е (таблицы Е1 и Е2).

         При измерении малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение получили цифровые и магнитоэлектрические приборы. Измерения больших постоянных токов  осуществляют, как правило, магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а весьма больших токов — с использованием трансформаторов постоянно­го тока. Для измерений больших постоянных напряжений исполь­зуют магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры. Следует иметь в виду, что электродинамические амперметры и вольтметры редко используют для технических измерений токов и напряжений в цепях постоянного тока.  Их чаще применяют (наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности) в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности. В таблицах Е1 и Е2 не указаны термоэлектрические приборы, так как применять их в цепях по­стоянного тока нецелесообразно из-за относительно большой мощности, потребляемой ими из  цепи измерения.

 

         8.2 Средства измерений переменных токов и напряжений

         В основу изме­рений переменных токов и напряжении положены государствен­ный специальный эталон, воспроизводящий силу тока 0,01 — 10 А в диапазоне частот 40—1 10 Гц (ГОСТ 8.183—76), и госу­дарственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1 — 10 В в диапазоне частот 20—3 10⁷ Гц (ГОСТ 8.184—76). Точность этих эталонов зависит от размера и частоты воспроизводимых величин.

         Рабочими средствами измерений  переменных токов и напряжений являются амперметры (микро-, мили-, килоамперметры), вольтметры (микро-, мили-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы.

         Особенностью измерений переменных токов и напряжений является то, что они изменяются во времени. В общем случае изменяющаяся во времени величина может быть полностью представлена мгновенными значениями в любой момент времени. Переменные во времени величины могут быть также охарактери­зованы своими отдельными параметрами (например, амплиту­дой) или интегральными параметрами, в качестве которых ис­пользуют действующее значение

                                                  ,                                                   (8.1)

средневыпрямленное значение

                                                                                                     (8.2)

и среднее значение

                                                  ,                                                    (8.3)

 

         где x{t) — изменяющаяся во времени величина.

         Таким образом, при измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средневыпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действую­щим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в дей­ствующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.

         Измерения действующих значений переменных токов и на­пряжений осуществляют различными средствами измерений, наиболее распространенные из которых приведены в приложении Е (таблицы ЕЗ и Е4). Сравнение этих таблиц с таблицами Е1 и Е2 показывает, что наименьшие верхние пределы измерений переменных токов и на­пряжений на несколько порядков больше, чем постоянных. Это объясняется тем, что воздействия внешнего переменного магнит­ного поля и паразитных резистивно-емкостных связей, отмечен­ные в [9], особенно сильно влияют при измерении переменных величин. Следует иметь в виду, что цифры, приведенные в таблицах Е3 и Е4, характеризуют предельные возможности различных приборов. При этом нельзя однозначно связывать, цифры, характеризующие верхние пределы диапазона измерений, с цифрами, характеризующими частотный диапазон. Связь меж­ду диапазоном измеряемых величин и частотным диапазоном для разных средств измерений разная. Однако можно указать общую закономерность: с увеличением значения измеряемой величины верхняя граница частотного диапазона, как правило, уменьшается. При этом наблюдается и другая закономерность, отмеченная ранее: с увеличением частоты погрешность измерений увеличива­ется.

         Измерения средневыпрямленных  и амплитудных Х_т зна­чений синусоидальных токов и напряжений трудностей не вызы­вают, так как эти значения однозначно связаны с действующим значением X синусоиды:  = Х/1,11  и   Х_т = . Погрешность от изменения формы кривой токов и напряжений у этих приборов тем меньше, чем шире их частотный диапазон.

         Среднее значение переменного тока или напряжения характе­ризует постоянную составляющую, содержащуюся в измеряемом токе или напряжении. Для измерений средних значений переменных токов и напряжений обычно применяют магнитоэлектриче­ские приборы.

         Мгновенные значения переменных токов и напряжений изме­ряют регистрирующими приборами и электронными осциллографами. Следует иметь в виду, что по мгновенным значениям можно определить и другие значения токов и напряжений (средние, средневыпрямленные, действующие, амплитудные).

         Отметим некоторые особенности измерений токов и напряже­ний в трехфазных цепях. В общем случае в несимметричных трехфазных цепях число необходимых средств измерений токов и напряжений соответствует числу измеряемых величин, если каждая измеряемая величина измеряется своим прибором. При измерениях в симметричных трехфазных цепях достаточно про­извести измерение тока или напряжения только в одной линии (фазе), так как в этом случае все линейные (фазные) токи и на­пряжения равны между собой. Связь между линейными и фазными токами и напряжениями зависит от схемы включения нагрузки. Известно, что для симметричных трехфазных цепей эта связь определяется соотношениями:   и     при соедине­нии нагрузки звездой и     и    при соединении на­грузки треугольником.

         В несимметричных трехфазных цепях при измерении токов и напряжений с помощью измерительных трансформаторов можно сэкономить на количестве исполь­зуемых измерительных трансформаторов. Для примера на рисунке 8.1, а приведена схема измерений трех линейных токов с ис­пользованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рисунке 8.1, б — аналогичная схема измерений линейных напряжений.

 

 

Рисунок 8.1 – Схема для измерения токов (а) и напряжений (б)  

                                           в трехфазной цепи

 

Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей: и . В схеме измерений токов токи и  измеряются амперметрами А1 и А2 с учетом коэффициентов трансформации К и К измерительных транс­форматоров тока, т. е.   и  . Амперметр А3 вклю­чен таким образом, что через него течет сумма токов, т. е. . Если К + К , то . Так как знак «минус» означает изменение фазы тока, а показания амперметров, как известно, не зависят от фазы измеряемого тока, то, следовательно, по показанию амперметра А3 можно опреде­лить ток .

Схема для измерений линейных напряжений рабо­тает аналогично.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4,6,8,9,12,13].